淺談球桿儀在數(shù)控機床中的應(yīng)用

王俊雅，齊培紅

浙江凱達機床股份有限公司，浙江 諸暨 311800

數(shù)控機床綜合了自動化技術(shù)、伺服驅(qū)動、精密測量和精密機械等各個領(lǐng)域的技術(shù)成果，隨著數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床的發(fā)展，數(shù)控機床的精度是機床的性能的一項重要指標，成為影響工件加工的主要因素，為了提高數(shù)控機床的加工優(yōu)勢，這就需要對誤差進行快速識別和精確的修正，提高數(shù)控機床的精度。目前國內(nèi)對于數(shù)控機床的精度檢測的傳統(tǒng)方法很難分析數(shù)控機床誤差產(chǎn)生的來源，而且調(diào)試周期較長，嚴重影響了機床生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量。球桿儀作為一種綜合誤差參數(shù)測量最有效的工具，很好的解決了這一問題。

1 球桿儀的工作原理

球桿儀主要由儀感器、磁性杯、磁性中心架、球節(jié)、磁性工具杯、球桿傳遞器等組成，由于固有的特點得到了廣大用戶的認可。球桿儀能夠快速、方便、經(jīng)濟地評價和診斷數(shù)控機床的精度，適用于各種立臥式加工中心和數(shù)控車床等機床，具有操作簡單、攜帶方便的特點。其主要的工作原理是將球桿儀兩端的精密球體，一端通過磁體架固定在基礎(chǔ)的工作臺上，另一端則固定在機床的主軸上，然后測量兩軸插補運動形成的圓形軌跡，為了保證得出理想的圓形軌跡，可以自己編制程序使機床作半徑等于球桿長度的任一平面內(nèi)的圓形運動，傳感器檢測出半徑方向的長度變化，也能夠檢測出機器偏離理想軌道的偏差，然后將得到的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，以能夠幫助調(diào)試任一進行修正誤差，改善機床的性能。

2 球桿儀的應(yīng)用

球桿儀可以快速的找出并分析機床的問題所在，可以檢測反向差、反向間隙、伺服增益、垂直度、直線度、周期誤差等性能，保證機床的正常運行，在數(shù)控機床中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 數(shù)控機床精度檢測驗收

對于機床制造商來說，利用球桿儀可以快速的進行機床出廠檢驗，并作為隨機機床精度驗收文件，目前球桿儀已被國際機床檢驗標準所采用，同時利用球桿儀可以方便地進行機床之間的性能比較，提示機床問題，建立機床性能檔案。

2.2 機床切削參數(shù)的快速優(yōu)化

為了保證數(shù)控機床的加工精度，可以在不同給進率條件下進行球桿儀檢測機床，這樣可以優(yōu)化切削參數(shù)，提高切削精度，從而改進了誤差，提高了產(chǎn)品合格率。

2.3 球桿儀的優(yōu)點

球桿儀可以揭示機床精度變化趨勢，及時提醒維修人員進行檢查和維修，將影響機床加工的問題及時得到解決，提高數(shù)控機床的保養(yǎng)和維修水平；同時球桿儀軟件可以進行機床誤差的自動分析，提高檢查維修的速度，并集中精力去解決。

2.4 機床動態(tài)特性檢測和評估、分離故障源

球桿儀能夠迅速查找機床出現(xiàn)問題的地方，主要檢查反向躍沖、間隙、垂直度、直線度、周期誤差、伺服不匹配、傳動鏈磨損等。當機床出現(xiàn)問題時，球桿儀進行快速檢查，可以確定機床是否能繼續(xù)工作，并分析出現(xiàn)問題的地方，自動進行誤差控制，方便維修人員快速定位故障點，提高解決問題的速度。

2.5 縮短新機床開發(fā)研制周期

利用球桿儀檢測機床可以分析潤滑系統(tǒng)、機床軸承等的選用對機床精度性能的影響，這樣可以根據(jù)測試情況改變原配套件的選用和設(shè)計，從而縮短了新機床的研發(fā)周期。

3 誤差分析

3.1 比例不匹配

在測量中，如果顯示的圖形為橢圓或花生形，這是由于比例不匹配，測量軸間出現(xiàn)行程差所引起的，而測量軸出現(xiàn)行程差的主要原因為軸的滾珠杠可能出現(xiàn)故障或過熱，出現(xiàn)膨脹，導(dǎo)致絲杠螺距誤差增大；還有一種情況就是如果機床存在角度誤差，就會導(dǎo)致X軸和Y軸在移動時不能保持90°直角，導(dǎo)致傾斜出測試平面。

補償方法：在進行誤差檢查過程中，一般采用誤差建模→檢測→補償?shù)姆椒▉淼窒嬖诘恼`差，由于數(shù)控機床加工零件時主要由各數(shù)控伺服軸的運動合成刀刃加工軌跡，因此首先要檢查所有的線性誤差補償值是否準確；然后檢查軸上帶狀光柵是否正確拉緊，檢查滾珠絲杠是否工作正常，溫度是否正常，如果出現(xiàn)問題或溫度過高，要及時進行更換；做出檢查后就可以在不同區(qū)域的多個平面內(nèi)重復(fù)進行角度誤差測試，通過檢查這些圖形是否出現(xiàn)變形，是否出現(xiàn)隨測試位置離機器工作臺面的距離增大而增加。

3.2 周期誤差

數(shù)控機床在加工過程中，會存在按照頻率、幅度發(fā)生周期性的正弦誤差，這是一種常見的、不可避免的誤差，分析其原因主要是由于軸滾珠絲杠使用時間過長，螺紋磨損，導(dǎo)致摩擦阻力增大，使得在運轉(zhuǎn)過程中無法保證勻速，從而出現(xiàn)正弦運動方式；在數(shù)控機床安裝時，安裝人員沒有將編碼器安裝到位，導(dǎo)致位置偏心；滾珠絲杠安裝不到位，也會出現(xiàn)周期誤差，導(dǎo)致偏心；如果細分裝置或感應(yīng)傳感器未調(diào)整好，也會出現(xiàn)周期誤差；當立軸上下運動周期誤差只單方面的存在，機器的平衡機構(gòu)會出現(xiàn)問題，導(dǎo)致圖形受到影響。

補償方法：首先要通過觀察，確定是什么地方出現(xiàn)了故障，如觀察圖形是逆時針還是順時針，這樣可以鑒別到底是滾珠絲杠出現(xiàn)了故障還是平衡出現(xiàn)了故障。對于滾珠絲杠出現(xiàn)的故障，就要調(diào)整滾珠絲杠或安裝編碼器來消除周期誤差；對于平衡機構(gòu)出現(xiàn)的周期誤差，就要調(diào)節(jié)數(shù)控機床的平衡來消除周期誤差。

3.3 反向躍沖

當某一軸某一方向驅(qū)動，然后必須向相反的方向發(fā)生移動，在換向處機器不是平穩(wěn)反向運動而可能短時的粘性停頓。這是因為該軸驅(qū)動施加的彎矩不夠，造成在轉(zhuǎn)換處由于摩擦力的方向發(fā)生變化而出現(xiàn)粘性停頓。

補償方法：當機器的控制系統(tǒng)具有除尖峰能力時，可以在開啟機器時利用該功能來限制反向躍沖的影響；在進行圓弧插補時，可以進行精加工，采用該找出的給進率。

4 結(jié)論

球桿儀能夠快速獲取數(shù)控機床的精度信息，準確檢測數(shù)控機床的誤差，并可查明機床誤差來源，為數(shù)控機床的故障診斷及維護提供了可靠保障，與傳統(tǒng)的工件試切檢驗方法相比具有不可比擬的優(yōu)越性。在使用過程中，需要了解其工作原理，掌握球桿儀的使用方法，才能更好的予以運用，提高數(shù)控機床的工作性能，保證其加工精度。

[1]洪邁生.數(shù)控機床的運動精度診斷[J].機械工程學(xué)報，2002.

[2]劉煥牢.基于球桿儀數(shù)控機床誤差補償方法研究[J].機械工人，2007.